mini|300px mini|Änderung des Netzaufbaus im Rahmen der Energiewende (schematisch – Stand 2019) Der Begriff intelligentes Stromnetz () bezeichnet ein elektrisches Versorgungssystem, bei dem der Fokus auf der regelungstechnischen Steuerung liegt, um die Auslastung der vorhandenen Infrastruktur zu verbessern. Hiermit soll der zeit- und kapitalintensive Ausbau der physischen Infrastruktur (Freileitungen, Kabel, Transformatoren etc.) möglichst gering gehalten oder verzögert werden.
Mit größer werdenden Anteilen erneuerbarer Energien in den Stromnetzen steigen besonders die Anforderungen an die Verteilnetze, d. h. der Niederspannungs- und Mittelspannungsebene. Sie übernehmen heute nicht nur die Aufgabe, elektrische Energie von den Übertragungsnetzen abzunehmen und an Endverbraucher zu verteilen, sondern zunehmend auch die Aufgabe, dezentral erzeugten Strom in die höheren Netzebenen zurückzuspeisen.
Smart Grids, d. h. Innovationen in der Netzsteuerung mit moderner Regelungs- und Leittechnik sollen diese zusätzlichen Herausforderungen lösen. Die Bundesnetzagentur schreibt dazu: Während die Hochspannungsnetze bereits heute weitestgehend intelligent gesteuert werden und der Zubau neuer Leitungen das Gebot der Stunde ist, ist in den Verteilnetzen auch eine Verbesserung der Netzinfrastruktur und der Steuerungsmöglichkeiten erforderlich. Investitionen „in Kupfer“ müssen Hand in Hand gehen mit Investitionen in „Intelligenz“.
Stand der Netzintelligenz 2021
Die bestehenden Netze werden schon seit längerer Zeit mit einer Kommunikationstechnik, der sogenannten Netzleittechnik (engl. bzw. allgemein SCADA), ferngesteuert. Die Leittechnik der Hoch- und Höchstspannungsnetze ist auf einem hohen Stand; einen Eindruck davon geben die Leitwarten der Übertragungsnetzbetreiber.Netzführung und Systemeinsatz, auf amprion.net Dagegen besteht bei den Niederspannungs- und Mittelspannungsnetzes noch Nachholbedarf, allerdings ist hier das Kosten-Nutzen-Verhältnis ein anderes.
Historische Bedeutung bei der Steuerung von Stromnetzen haben:
Fernwirktechniken, eine Verbindung von betrieblichen Telefonnetzen mit Möglichkeiten zur Fernbedienung von Anlagen, Trägerfrequenzanlagen, mit denen Daten direkt über die Stromnetze übertragen werden können, Richtfunkanlagen, siehe auch die Liste der Richtfunkanlagen von Energieversorgungsunternehmen in Deutschland, Rundsteuertechnik bzw. Funkrundsteuertechnik, mit der ein zentrales Signal über das gesamte Stromnetz verbreitet werden kann und damit beispielsweise die Straßenbeleuchtung an- und ausgeschaltet oder Stromzähler auf Niederstromtarif und umgekehrt umgeschaltet werden können.
Diese historischen Steuerungstechniken sind heutzutage, soweit sie noch eingesetzt werden, kabel- oder mobilfunknetzbasiert. Ziel dieser Übertragung von Daten und Signalen und der damit verbundenen rechnergestützten Regelungstechnik war und ist es unter anderem, die Energieflüsse durch Ab- und Zuschaltung zu optimieren.
Im Allgemeinen sorgt heute vollständig automatisierte Schutztechnik dafür, dass keine Überlastungen auftreten und möglichst automatisiert und unmittelbar auf Störungen reagiert werden kann. Dabei werden die vorhandenen physischen Netzkapazitäten auf Basis einer Lastflussberechnung möglichst optimal genutzt. Schutztechnik braucht üblicherweise keine manuelle Kommunikation. Steuerungstechniken dienen auch der physischen Sicherheit, so schalten beispielsweise durch Sturm oder Unfälle gerissene Überlandleitungen automatisch ab.
Eine neuere Entwicklung ist im Hochspannungsbereich z. B. das Freileitungsmonitoring, mit dem die außentemperatur-abhängige Kapazität von Freileitungen durch in Echtzeit übertragene lokale Temperaturdaten besser genutzt werden kann. Der Einsatz von Stelltransformatoren führt im Mittel- und Niederspannungsbereich zu einer verbesserten Ausnutzung vorhandener Netzkapazitäten. Smart-Meter liefern mittelfristig Verbrauchsdaten von kleineren Verbrauchern in beliebiger örtlicher und anderweitiger Differenzierung, die zur Entwicklung von genauer aufgelösten Lastprofilen anstelle eines pauschalen Standardlastprofils genutzt werden können.
Neue Anforderungen an die Netzintelligenz Eine Studie der Lobby-Organisation Agora-Energiewende aus dem Jahr 2017 empfiehlt weiterhin die folgenden Adhoc-Maßnahmen zur Entlastung der Übertragungsnetze:
Umbeseilung auf Hochtemperaturseile (Freileitungen werden durch Seile mit höherer Temperaturbelastbarkeit bestückt) Zubeseilung auf bereits bestehenden Freileitungen Querregler zur Lastflussreglung
Mit dem Ausbau der Windenergie entstanden zunächst ein Erzeugungsschwerpunkt an der Nordseeküste und damit neue Anforderungen an das Hochspannungsnetz, Strom in die Verbrauchszentren und bis in den südlichen Teil Deutschlands zu transportieren. Weiterhin führte die Erzeugung aus fossiler Primärenergie durch kleine KWK-Anlagen wie auch die Erzeugung aus erneuerbaren Quellen wie Photovoltaikanlagen, solarthermischen Kraftwerken, kleinen Windkraftanlagen und Biogasanlagen zu Einspeisungen ins Niederspannungsnetz und vermehrten Einspeisungen ins Mittelspannungsnetz.
Dies führt zu einer wesentlich komplexeren Struktur, primär im Bereich der Lastregelung, der Spannungshaltung im Verteilnetz und zur Aufrechterhaltung der Netzstabilität. Gleichzeitig steigt durch die immer größeren Anteile erneuerbarer Energien, insbesondere Windkraft und Photovoltaik, die Volatilität der Einspeisemengen deutlich. Dadurch wird eine schnellere und effizientere Netzsteuerung erforderlich.
Generell werden Netze, auch elektrische Energieversorgungsnetze, auf die mögliche Höchstbelastung ausgelegt. Die Reduktion jener Höchstbelastung und die zeitliche Verlagerung der zu übertragenden Energie in Zeiten mit geringerer Auslastung ermöglicht, die notwendige Netzinfrastruktur kleiner auszulegen, und führt dadurch zu Kostenvorteilen auf Betreiberseite. Hierbei bleibt die insgesamt übertragene Energiemenge in etwa gleich; es wird nur die Auslastung der Netze optimiert. Beispielsweise waren im Jahr 2009 Stromnetze in der Schweiz im Jahresdurchschnitt nur zu 30 bis 40 % ausgelastet. Kostenvorteile und Versorgungssicherheit sind daher Anreize für die Netzbetreiber, teure Lastspitzen zu vermeiden und im theoretischen Idealfall nur einen möglichst zeitlich konstanten Lastanteil, welcher über dem so genannten Grundlastanteil liegt, zu haben. Diese Nivellierung der Last kann mittels intelligenter Netze durch automatische Steuerungen und Kontrolle von Verbrauchsanlagen im Rahmen einer Laststeuerung erfolgen.
Eine Eigenschaft jener Netze ist die Möglichkeit, Zustandsinformationen und Lastflussdaten aus den einzelnen Netzelementen, wie z. B. Erzeugungsanlagen, Verbrauchern und Transformatorenstationen in Echtzeit abzurufen und verarbeiten zu können. Ein intelligentes Stromnetz bezieht neben den Produktionsanlagen der Industrie und anderen Großverbrauchern auch mittlere Verbraucher und das Verhalten privater Haushalter in das Netzmanagement mit ein. Um auf dieser kleinteiligen Ebene wirksame Preisanreize zu schaffen, wird auch ein intelligenter Markt benötigt.
Intelligentes Markt- und Netzdesign ermöglicht es dem Verbraucher, über die Steuerung seines Verbrauchsverhaltens Geld zu sparen. Nötig sind dafür dynamische Tarife (intelligenter Markt) und die Echtzeit-Kommunikation der Verbrauchsdaten an das Netz (intelligentes Netz).Hans-Jürgen Appelrath, Henning Kagermann, Christoph Mayer (Hrsg.): Future Energy Grid. Migrationspfade ins Internet der Energie. acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften, 2012, S. 48. (acatech.de)
Intelligentes Netz oder intelligenter Markt Damit das Stromnetz stabil bleibt, muss Stromerzeugung und Stromverbrauch zu jedem Zeitpunkt genau im Gleichgewicht sein. Dies wird hauptsächlich durch den Markt erreicht. Der Einsatz von Kraftwerken und Speichern wird langfristig und kurzfristig im Interesse der Eigentümer so optimiert, dass Kraftwerke und Speicher ein bestmögliches Ergebnis erzielen. Dies führt dazu, dass für jeden Zeitpunkt immer die Kraftwerke ihren Einsatz planen und ihre Stromerzeugung verkaufen, die für diesen Zeitpunkt die erwartete Nachfrage zu den besten Konditionen ausfüllen können.
Nur die Aussteuerung sehr kurzfristiger oder instantaner, ungeplanter Abweichungen zwischen Erzeugung und Abnahme verbleibt Aufgabe des Übertragungsnetzbetreibers. Weiterhin verbleibt es Aufgabe des Netzbetreibers, den Strom dorthin zu bringen, wo er gebraucht wird. Da Strom zunehmend im Norden von Windrädern eingespeist und in süddeutschen Zentren verbraucht wird, wird dies auch zunehmend zur Herausforderung. Dem Netzbetreiber stehen dafür zwei Instrumente zur Verfügung:
der Regelmarkt (ein Markt für instantane Stromerzeugung und Stromabnahme) der Redispatch (der zwangsweise Eingriff in die Kraftwerksfahrweise gegen regulierte Entschädigungsentgelte)
Beide Mechanismen setzen ursprünglich große Akteure auf der Erzeugungs- und Nachfrageseite voraus, die Börsenzugänge haben und auf der Angebots- oder Nachfrageseite so große Mengen umsetzen können und so große Flexibilitäten besitzen, dass Änderungen an den Einspeise- oder Lastprofilen zu nennenswerten Ergebnissen für die Akteure führen.
Aufgabe eines intelligenten Marktes und eines intelligenten Netzes ist es jedoch, auch Flexibilitäten kleiner Verbraucher und Erzeuger, sogenannter Flexumer, in das System zu integrieren. Dazu gehören dezentrale Batteriespeicher incl. Fahrzeugantriebsbatterien (Smart Charging), einzelne Windräder, kleine KWK-Anlagen, Solaranlagen und am Ende der Kette auch der Haushaltskunde als Verbraucher.
Auf der Marktseite werden die Flexibilitäten dieser kleinen Einheiten zunehmend zu sogenannten virtuellen Kraftwerken gebündelt (intelligenter Markt). Auf der Netzseite wurden PV- und Windanlagen verpflichtend mit einer Fernsteuerung ausgestattet, um Eingriffe des Netzbetreibers zu ermöglichen (intelligentes Netz).
Eine wesentliche Änderung auf Endverbraucherebene ist der Einbau von intelligenten Zählern (auch Smart Meter). Ihre Kernaufgabe sind Fernauslesung und die Möglichkeit, zeitvariable Preise abrechnen zu können. Die Datenübertragung zwischen den einzelnen Komponenten läuft über Telefon-Modem, GSM, PLC oder ADSL-Verbindungen uvm. Damit ist die Gestaltung differenzierterer Tarife und damit besserer Preisanreize auch für Haushaltskunden möglich (intelligenter Markt). Der Verbraucher kann jedoch nur dann ohne Komfort-Einbußen Preisvorteile realisieren, wenn er auch über Geräte verfügt, die automatisch vorzugsweise während Niedertarif-Zeiten arbeiten. Dabei handelt es sich um zeitunkritische Prozesse wie insbesondere das Laden von Elektrofahrzeugen, der Betrieb von Wärmepumpen, Tiefkühlen, Heizen (Elektroboiler), Waschen oder Geschirrspülen.
Mit Nachtspeicheröfen und festen Nachttarifen wurde dies bereits vor Jahrzehnten realisiert, moderne Systeme können jedoch flexibler und intelligenter arbeiten, was insbesondere für die Einbeziehung erneuerbarer Energien wichtig ist. Eine eingeführte Technologie ist hierzu die Rundsteuertechnik, die allerdings aufgrund der geringen Bandbreite keine Einzeladressierung ermöglicht, sondern Anlagengruppen anspricht.
Flexibilisierung der Nachfrageseite („Demand Side Management“) Da elektrische Energienetze keine Energie speichern können und zur Erhaltung der Stabilität im Stromnetz die Nachfrage nach elektrischer Leistung immer gleich dem Angebot an elektrischer Leistung sein muss, muss entweder die Angebotsseite dem nachgefragten Verbrauch angepasst werden, wie dies weitgehend in klassischen Stromnetzen durch Veränderung der Kraftwerksleistung erfolgt, oder durch eine Anpassung mittels Lastverschiebungen der Verbraucher an das momentane Angebot der Erzeugereinrichtungen, ähnlich wie sie bei sogenannten Lastabwurfkunden im Falle von Versorgungsengpässen seit Beginn der elektrischen Energieversorgung realisiert sind.